CN1646790A - 用于涡轮压缩机的循环结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于涡轮压缩机的循环结构，所述循环结构包括一个环形室(29)，所述环形室(29)靠近主流通道(9)，从其上游安装在叶片环各自由叶片端部的区域中；并包括多个导向元件(37)，所述多个导向元件(37)安装在环形室中，沿着其周边分布，形成并设置在一个相对于循环流有利的流动位置。上述各导向元件(37)在环形室(29)的前面或后面区域中设置凹槽。环形室(29)靠近主流通道(9)的一侧沿着其轴向长度和整个周边开口。各导向元件(37)的自由边缘(41)位于主流通道(9)的轮廓上或其附近。

Description

用于涡轮压缩机的循环结构
技术领域
本发明涉及一种按照权利要求1序言所述用于涡轮压缩机的循环结构，和涉及一种航空发动机及一种静态燃气轮机。
背景技术
用于涡轮压缩机的循环结构已知一段时间了，并且在技术人员中通常称之为“机匣处理”。它们的主要功能是增加压缩机的空气动力学上稳定的工作范围，同时使所谓的喘振极限朝更高压缩机压力，亦即朝更高压缩机载荷方向移动。对一种局部气流分离及最终对压缩机喘振产生影响的扰动，在机匣侧上是在一个或多个压缩机级的转子叶片两端处发生，和在轮毂侧上是在径向上内部导叶端部处发生，因为空气动力载荷在这些区域中最大。在各叶片尖端之间的叶片速度下循环并具有一减小能量的“空气颗粒”循环进入主流中，因而增加了它们的能量，再次使各叶片端部的区域中流动稳定。因为流动扰动一般在级周边上不是均匀地发生，所以除了基本上是轴向上循环之外，它将也能使周边方向上的流动平衡。已知机匣处理的主要缺点是，尽管它们使喘动极限升高，但它们同时也降低了压缩机效率。
DE 33 22 295 C3要求保护一种轴流风机，所述轴流风机具有一种普通类型的机匣处理。这个专利文献公开了一种环形室(8)，多个导向元件(9)固定在所述环形室(8)中。在转子叶片端部上方的下游区中是一个周边敞开的区域，各导向元件不延伸到所述下游区中。这种类型机匣处理的特征在于一个闭合环(7)，所述闭合环(7)大致与主流管道的形状齐平，并将循环结构的后面入口区与前面出口区分开，同时形成一种光滑的闭合式表面区。
DE 35 39 604 CL公开了一种十分类似的机匣处理，这里一个周边敞开的区域设置在环形室(7)的前面和后面区域中。这里还注意径向的内环6。
US 5,282,718 A公开了一种更近的机匣处理。这对环形室(18，28)和导向元件(24)的流体力学进行了改良。另外，在这种情况下，用于循环流的入口和出口被一个固体环分开，上述固体环代表到各叶片的一种闭合式光滑表面。叶片区中的这些环在它们与叶尖接触的情况下，一般必需提供表皮或磨合涂层。
另一些具有轴向或轴向上倾斜的沟槽的机匣处理例如在US 5,137,419 A中公开。这些机匣处理这里将不考虑，因为在这些形式中各沟槽没有任何相互连接时可能没有周边流量平衡。
发明内容
为了克服按照先有技术所述解决方案的缺点，本发明的目的是提供一种用于涡轮压缩机的循环结构，所述循环结构将能明显增加喘振极限，并因此能显著扩大稳定工作范围而在压缩效率上没有任何明显的恶化。
这个目的通过权利要求1中的特征部分的特点与权利要求1前序部分中的普通特点一起达到。
本发明的实质在于，实际上带有多个导向元件的环形室朝向主流管道方向及在它的轴向长度和它的周边上完全开口。不需要有带表皮涂层等的环形元件。上述专利说明书表明：在此之前技术人员致力于使各种环形结构在尽可能大的轴向区域上平滑、垂直式无间隙或相对于主流管道闭合，也就是说致力于所谓的环形空间，以便产生一个到主流管道轮廓的延伸部分，上述延伸部分有利于流动，并且尽可能没有损失。相反，本发明产生多个间隙，带裂缝的表面等，并因此似乎是缺点和不合适。然而，实验表明，按照本发明所述的循环结构在关于提高喘振极限和效率二者方面优于已知的解决方案。对于这种情况的空气动力学解释是，在具有多个自由导向元件的敞开环形室中循环流的自由非强制性发展和周边方向上的连接，比具有最平滑的主流管道轮廓的可能延伸部分更重要。不设一个闭合环具有另外的优点是，各导向元件不要求任何表皮或磨合涂层，并且节约了总的径向空间和重量带来结构力学方面的优点。
按照独立权利要求所述的循环结构的优选发展其特征在于所附权利要求书中。
附图说明
下面将参照附图进一步说明本发明，附图提供了一种简化的不按比例的表示，附图中：
图1示出在机匣侧循环结构中穿过轴向流压缩机所作的局部纵向剖视图，
图2示出在轮毂侧循环结构的区域中一个可比较的局部纵向剖视图，
图3示出穿过按照图1的循环结构的一个局部剖视图，及
图4示出按照图1和3所述的循环结构从内部径向上的局部视图，
图5示出与图1和5中的那些相比已经改进的一个机匣侧循环结构区域中的局部纵向剖视图，和
图6示出与图1和5中的那些相比已经改进的一个机匣侧循环结构区域中的局部纵向剖视图。
具体实施方式
按照图1所示的循环结构1安装在一个涡轮压缩机的机匣5中，并因此可以称之为“机匣处理”。装有叶片的主流管道9中的流动方向在左面用一个箭头表示，也就是说，它从左向右流动。在所示的区域中，流动首先入射在一个导向叶环13上，然后入射在一个转子叶片环20上和最后再入射在一个导向叶环14上。主流管道9的径向外轮廓11符合机匣5的内部形状，并且为了清楚地显示这种情况，径向外轮廓11通过一条点划线延伸到实际图形的左面和右面。静态循环结构1与转子叶片环20相互作用，并且多半在轴向上位于转子叶片环的前面，也就是说位于转子叶片环的上游。与导向元件37一起形成循环结构1的环形室29在径向上位于主流管道9的外部和邻按所述主流管道9，并且开口到主流管道9。导向元件37的自由边缘41位于主流管道9的外轮廓11上或者靠近所述外部轮廓11，也就是说，它们至少大约与机匣的内部轮廓齐平。各导向元件37可以包括一种金属如一种镍基合金，或者一种重量轻的金属如铝，或者一种塑料如热塑性塑料、热固性塑料或弹性体。环形室29的前壁33和后壁34从它们径向上的内边缘35，36向前倾斜，以便促进用一小箭头表示的循环流动。
前壁的倾斜角用α表示，并且它可以与后壁34的倾斜角相同或不同。在前壁33，各导向元件37和后壁34之间是凹槽45，46，上述凹槽45，46允许除了主要是轴向循环之外，在环形室内部朝一周边方向上的流动过程。标号25表示在最常发生气流扰动的区域中转子叶片环20的自由叶片端部。
与图1相反，图2示出一种安装在一个旋转轮毂8中的循环结构2。在主流管道10中，从左到右可以看到一个转子叶片环21，一个带径向的内自由叶片端部26的导向叶环15，和一个转子叶片环22。这种新式循环结构的安排可以十分合乎逻辑地称做“轮毂处理”。循环结构2包括环形室30和导向元件38，具有前和后凹槽47，48，上述循环结构2与主流管道中位于下游的一个导向叶环15相互作用。因为在这种情况下轮毂处理进行旋转，并且导向叶环15是固定的，所以转子速度完全起差速作用。工作原理与机匣处理的工作机理基本上没有不同。机匣处理和轮毂处理甚至可以在一个涡轮压缩机中结合，并且可以在多级中使用。主流管道的径向内轮廓12在这里与轮毂8的外部轮廓一致。
图3示出穿过图1中一个细部的剖视图。导向元件37与径向成一个角度β倾斜，因此转子叶片环20的叶片端部25促进循环气流进入环形室29中而没有大的损失；注意旋转的方向(见箭头)。倾斜角β可以径向向外减少到一个与相应弯曲的导向元件成“零”的一个值。
导向元件沿径向安排，也就是说β＝0°是可能的，但或许对气流不是很有利。
按照图4所述的图3视图示出转子叶片环20与它的旋转方向(箭头)关系的叶片造型，并提供各导向元件37促进流动的造型和曲率的一种良好想法。本专业的技术人员应该理解，在环形室29上游边缘35的区域中，循环出口这里预定相对于转子叶片环20产生逆涡流。标号36代表环形室的下游边缘。应该记得，在它们最简单的设计形式中，各导向元件37也可以包括平面或弯曲的“板”。
按照图5所述的循环结构3是一种具有一个环形室31的机匣处理，上述环形室31安装到一个机匣6中。这里多个导向元件39延伸到环形室31的前壁，和多个凹槽49设置在后面区域中，直接靠近转子叶片环23的叶片端部27。各导向元件39的自由边缘43不延伸到叶片端部27的旋转区中。标号16和17代表导向叶片环。
图6中的循环结构4具有环形室32和多个导向元件40，上述循环结构4同样是一种机匣处理，上述环形室32安装到一个机匣7中，并与一个转子叶片环24相互作用。与图5相反，这里多个导向元件40延伸到环形室32的后壁上。这里多个凹槽50设置在前面区域中。因为各导向元件40的自由边缘44延伸到叶片端部28的旋转区域中，所以在后面区域中，这些部分沿径向向外偏移，以便可靠地防止与各叶片接触。这些边缘自然也可以相应地与它们的整体偏移。
在循环结构的所有发展中，如果各导向元件用一种软而重量轻的金属或一种塑料制造，则导向件37-40的自由边缘41-44不必沿径向向外偏移，因为可以允许与叶片端部25-28的任何接触而同时不损坏叶片。

Claims (13)

1.一种用于涡轮压缩机的循环结构，具有一个环形室，所述环形室在一个叶片环的自由叶片端区域中与压缩机轴同轴地安装，环形室的轴心位于自由叶片端部的上游轴心的上游，和环形室在径向上邻接主流管道的环形空间的轮廓；并具有多个导向元件，上述各导向元件安装在环形室中，分布在环形室的周边上，并且各导向元件以一种有利于环形室轴向上后面区域中循环流进入的方式安装和成形，这样使得环形室轴向的前面区域中循环流出口在一限定的方向发生，和适合地是一个相对于下游叶片环的限定的涡流，在环形室的前区和/或后区中的各导向元件具有凹槽，用作沿周边方向的气流通道，其特征在于：邻接主流管道(9，10)轮廓(11，12)的环形室(29-32)的侧面在轴向长度上，也就是说从循环流的入口到出口，并在它的整个周边上开口进入主流管道(9，10)，各导向元件(37-40)的自由边缘(41-44)位于主流管道(9，10)的轮廓(11，12)上或者靠近上述轮廓(11，12)。
2.如权利要求1所述的循环结构，其特征在于：所述的循环结构在一个或多个转子叶片环(20，23，24)的区域中，在一点或多点处固定到机匣上，也就是说固定的，和/或在一个或多个导向叶环(15)的区域中，在一点或多点处固定到轮毂上，也就是说是旋转的。
3.如权利要求1或2所述的循环结构，其特征在于：所述的循环结构安装在一级或多级轴向式、混合式或径向流动式涡轮压缩机中。
4.如上述权利要求其中之一所述的循环结构，其特征在于：环形室(29)的轴向的前壁(33)和轴向的后壁(34)，从主流管道(9)的轮廓(11)上该两壁的边缘(35，36)朝上游倾斜，也就是说向前倾斜相同或不同的角度α。
5.如权利要求4所述的循环结构，其特征在于：环形室的轴向上前壁和轴向上后壁与径向方向的倾斜角α具有一个在30°-60°范围内的值。
6.如上述权利要求中任一项所述的循环结构，其特征在于：各导向元件(37-40)属于具有一个恒定厚度的板状、平面或弯曲式设计，或者属于一种具有一个三维弯曲，具有一变动厚度和具有限定的剖面的叶片状设计。
7.如上述权利要求其中之一所述的循环结构，其特征在于：沿轴向方向看，各导向元件(37-40)是在径向上朝周边方向倾斜或者朝周边方向上弯曲，在倾斜情况下的角度β或者曲率如此选定，以便有助于，也就是促进循环气流引入环形室(29-32)。
8.如上述权利要求中任一项所述的循环结构，其特征在于：选定的总体积流与循环结构(1-4)内部各导向元件(37-40)总体积的比值尽可能大，也就是说将各导向元件(37-40)制成尽可能薄的壁或尽可能薄的形状。
9.如上述权利要求中任一项所述的循环结构，其特征在于：各导向元件在轴向上延伸到自由叶片端部的区域中，各导向元件(40)的自由边缘(44)，至少在自由叶片端部(28)区域中，在径向上设定如此往后，以便在涡轮压缩机正常工作时，各叶片端部(28)和导向元件(40)之间不发生接触。
10.如上述权利要求中任一项所述的循环结构，其特征在于：各导向元件(37-40)包括一种金属如钢、或一种镍基或钴基合金，一种重量轻的金属如铝，或者一种塑料如热塑性塑料、热固性塑料或弹性体。
11.如权利要求10所述的循环结构，其特征在于：在导向元件的材料为重量轻的金属或塑料的情况下，各导向元件(37-40)的自由边缘(41-44)延伸到自由叶片端部(25-28)的区域中并可能接触。
12.一种航空发动机，包括一个涡轮压缩机，所述涡轮压缩机具有至少一个如上述权利要求中的一个或多个所述的循环结构。
13.一种静态燃气轮机，包括一个涡轮压缩机，所述涡轮压缩机具有至少一个如上述权利要求中一个或多个所述的循环结构。
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